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通常说的“植物人”也就是植物状态，始终吸引着普通人以及生命科学家的关注。用科学手段能否探明植物人真实存留的意识状态，不仅对科学破解意识之谜是个检验，亦有很大临床价值。本文讨论了寻求其中答案的途径。
人类历史几千年，心智（mind）问题一直是哲学思辨的话题。到20世纪后期，哲学中有关心智的探讨领域和研究心智的认知心理学结合，其后再和研究脑的神经科学结合，产生了新的生物学的心智科学。这门新科学遵循的总原则是：脑能进行极为复杂的运算，让人产生对外部世界的觉知并集中注意以控制行为。心智是大脑运行的一系列过程。人类已开始认识到，21世纪科学面临的核心挑战是如何在生物学的意义上理解人类心智。
意识是人类最大的未解之谜，人们对意识的定义一直未能达成共识。大多数研究者把它看成不同场景下的不同心智状态，而非一个统一整体。近几十年来达成的最大共识是认为弗洛伊德当年的观点是对的：人类心智中的无意识活动远超出人们预想，而且这些无意识心智过程各不相同。弗洛伊德当年将本能无意识定义为一个单一实体，包含了与暴力和性有关的情感、思维、冲动及记忆之绝大部分。这些东西不在意识范围内，但可影响人的行为和经验。后来他增加了前意识无意识（后被称为自适应无意识）概念，指无觉知的信息加工，是自我的一部分。请设想你见到某个熟人，马上就知道是你认识的人。整个过程进行得极快，不存在能被本人意识到的思考环节。
用实验科学方法来研究意识及无意识与脑的关系，正是生物学的心智科学中的一个关键课题，而有关植物人的研究历来与意识探讨相关联。
关于意识和无意识的科学研究进展
意识的操作定义
用科学方法研究意识，首先要解决的问题是如何在实验室环境下对意识下操作定义。很多神经科学家给出了意识的操作定义。比如沙德伦（M.N.Shadlen）和基安尼（R.Kiani）在2011年提出，意识状态的产生机制接近于形式更简单的应对环境的决策机制。德阿纳（S.Dehaene）在2014年写的《意识和大脑：思想解码》中，将意识状态至少分三个层次。第一个层次是觉醒，指动物和人所共有的睡眠一觉醒周期。觉醒是主观意识的前提。早期研究者以为，从眼耳等外周感觉器官进来的信息，经脑干到达大脑皮层，使个体保持觉醒。这些信息一旦停止，人就进入睡眠状态。后来发现事情并非如此。1949年两位科学家莫鲁齐（G.Moruzzi）和马古恩（H.W.Magoun）发现，实际上觉醒过程是主动的，关键部位在脑干上部，如损伤这个部位就会造成动物昏迷，而刺激此部位则会使睡眠中的动物醒来。这样就发现了，在脑里面有一个可将信息从脑干传到中脑再传到丘脑、再到大脑皮层的神经回路。此结构是支撑觉醒的基础。第二个层次是注意，就是将个体的心智资源集中到某一特定信息上。注意是一种处于觉醒和可交流意识之间的过渡状态，未必被我们觉知。第三个层次是知觉觉知，即开始觉知我们所注意信息的一部分，并能拿它跟别人交流。最后这个层次就是哲学家所谈的意识概念，它是可交流的，是主观上非常清晰的一种状态。德阿纳认为，意识体验以这三个独立而又交叠的层次为基础，它们反映了不同的生物学过程，并且是互动的。
全局工作空间理论
关于意识的理论是人们特别感兴趣的。2008年意大利学者托诺尼（G.Tononi）提出整合信息理论，认为意识的实质即信息，意识层次越高则信息越复杂。他借Φ（phi）符号来描述信息复杂度。巴尔斯（B.J.Baars）的全局工作空间理论则能与脑科学研究产生良性互动，这里做重点介绍。
巴尔斯于1980年代提出，意识就是原来无意识的信息大面积地扩布到全脑。这个全脑工作区包括把意识从脑干传到丘脑再传到大脑皮层的神经回路。法国学者德阿纳用脑成像方法把巴尔斯提出的这个心理模型对应到了脑。他发现在意识的状态下会有一组广泛分布的神经同路在活动，这些回路会选择一则信息，把它放大和扩布到大脑皮层。
用脑成像的方法来研究意识，最大难题是要让实验者的脑活动对应于他的主观意识状态，而不是对应于刺激的改变。德阿纳解决了这个问题。举例来说，他在屏幕上按顺序快速播放1、2、3、4这四个数字，兀论四个数字交替得多快，受试者还是看得见；而如果在4出现之前瞬间插入一张图片，然后在4出现之后瞬问又插入一张图片，假如转换速度足够快，4这个数字就可能看不见了。我们便可以说，前后呈现的图片把4这个词给掩蔽了。请注意，4这个数字虽未被受试者主观意识到，但在屏幕上呈现过，也一定在他视网膜上出现过并在他大脑里得到过处理，只是他不能意识到。再进一步，通过控制掩蔽的时间参数，就能随意地把这个数字正好放在意识的临界线上：让受试者一半时间报告说看到了，一半时间报告说看不到，这样研究者就能在实验室里成功地构建意识和无意识这两种主观状态，它们独立于刺激之外。此时便可采用脑影像检测的设备，比如使用功能性磁共振成像方法，分别在有意识时和无意识时扫描脑的活动情况，然后再将两者相减，其结果就与刺激无关了。无论受试者看到还是没看到，这个数字的客观存在是一样的，区别只在于有没有主观上的印象，而不在于刺激。
下面就可以用此方法来研究意识与无意识这两种主观状态。为描述方便，若某个视觉刺激不能使受试者产生主观感觉，就称为阈下刺激，反之则称为阈上刺激。脑成像研究发现，当遇到阈下刺激时，大脑枕叶的初级视觉皮层变得非常活跃，也就是说，这个视觉刺激已经到达了大脑皮层对视觉信息的初级处理站。但是在持续了大约200～300毫秒以后，在初级视觉皮层上这个不期然的激活消退了，而不会到达更高级的大脑皮层。每时每刻，都会有很多这样的信息到达我们的大脑皮层又无声无息地消退。
那个阈上刺激又如何？换句话说，当受试者对刺激能加以意识和进行报告时，脑里会发生怎样的不同事件呢？有意识的知觉也开始于大脑初级视觉皮层的激活，但是这个激活非但不消退反而扩大。这时，大脑激活的情形就像发生了一次海啸，而不是泛起一朵旋即消逝的海浪。经300毫秒后，激活会变得非常大，进入高级的大脑皮层直至前额叶，然后回到开始的地方产生回响。这就是当受试者产生意识时所发生的信息扩布。 德阿纳认为，阈上刺激引起的扩布，把信息移入全局工作空间。在那里，有关信息可被其他脑区的神经功能所捕获。在心理学意义上，意识产生时所发生的事件就是：被意识到的信息从个体对现实世界的知觉中分离出来，在大脑这个巨系统中变得可获取。这个数字只是短暂地一闪而过，但个体可以用工作记忆将其保留于心智中，并扩布给需要它的所有脑区。全局工作空间所涉及的脑区包括参与决策的前额叶皮层、对于外显记忆很重要的颞叶以及参与意识经验报告且对意识经验进行评估、记忆和用以进行未来规划的语言区。从这个意义上可以说，意识信息是全脑扩布、能被全脑运用的。上述基于视觉通道刺激的结论也适用于听觉、躯体感觉等其他感觉通道。
全局工作空间理论提出了基于目前常用新技术的四个意识指标体系。指标一：觉知到的刺激引起波及前额叶皮层和顶叶皮层的全脑“点燃”；指标二：觉知到的刺激引起刺激后300毫秒出现的特定脑电成分（P300）；指标三：深部电极记录到后期出现的高频振荡；指标四：脑的远隔区域之间发生同步化的信息交换。但是，这些主要建立在正常人实验数据之上的意识理论和特征指标，要得到确立还须接受来自其他领域的验证。德阿纳认为，对意识障碍的临床实验是其最终检验。
意识障碍
从《潜水钟与蝴蝶》说起
1995年，43岁的法国ELLE杂志总编博比（J.-D.Bauby）突发脑中风出现深度昏迷，20天后苏醒过来，除左眼皮外其他的运动功能丧失殆尽。之后他又活了15个月。这15个月他是这样使用左眼皮的：友人按顺序念字母表，当他听到某个需要表达的字母时就眨一下眼皮，友人于是记下该字母。友人再按顺序念字母表，他眨眼选择第二个字母，以此方法记下一个个字母，字母再拼成一个单词、一句话。借助这样的方法他写下了对过去生活的回忆、对当下生活的感受以及关于生和死的思索，还写信给他所有的朋友……。他为这些文字取名《潜水钟与蝴蝶》，意思是说：“我的身体像是被困在坚硬的潜水钟里动弹不得，但我的心灵如同轻盈的蝴蝶一样自由飞翔。”1997年3月9日《潜水钟与蝴蝶》法文版问世三天后，肺炎夺去了博比的生命。此书成为当时全球排名第一的畅销书，后来据此拍摄的同名电影被法国戛纳国际电影节授予金棕榈奖。
眼皮一开一合，就是这个唯一未被剥夺的“随意”动作的简单重复，神奇地启动了文字系统的表达功能，博比完整保存的主观世界跃然纸上，心灵之蝴蝶完成了与世界的绚丽合奏。法国作家大仲马显然对这类患者心知肚明，在《基度山伯爵》里成功塑造了一位诺瓦蒂埃先生，也是通过眼睛的唯一途径让内心世界昭然若揭。中国同样有这种患者，几年前有位叫汪建华的“渐冻人”通过眼睑开合搜寻汉语拼音字母而写成《把心捂热》一书。这些患者学会了用仅存的一点“自主性”动作来表达自己情感世界和理性思维活动。他们是生存于生命边缘的可敬人群，其文字也成为人们探索他们主观世界的唯一窗口。
他们即医学上所谓闭锁综合征（locked-in syndrome，LIS）患者。此病是一种特殊的行为障碍，患者意识完整，但可能因双侧腹侧脑桥损伤而发生运动表达系统障碍。若患者生命体征平稳并获相应医疗支持，预期寿命可达数十年。他们往往有一段时间被误诊为植物状态，有的甚至一直被误诊。能被发现的患者是不幸中的幸运者，他们由于残存意识的证据被旁人发现从而得到帮助。在临床实践上，如何研判大量这类患者是否存在意识，是个巨大难题。
她还活着吗？
世界上一些国家和美国的一些州，法律允许对慢性期植物人实施安乐死，这样就将临床上的植物人诊断问题变为对患者生死攸关的事。2005年美国佛罗里达州植物人妇女夏沃（T.Schiavo）的生死官司曾轰动世界。从1990年到2005年，夏沃成为植物人已历时15年。她丈夫提供了她患病前立有生前遗嘱的证据，替她启动了申请撤除生命保障系统的法律程序。但夏沃的母亲并不认同女儿处于植物状态，她把一段看起来是女儿冲着妈妈笑的影像资料作为夏沃尚残存交流能力的证据展示给民众。当时包括美国总统布什在内的很多人发表意见，表示不支持撤除夏沃的生命保障系统。2005年3月，佛罗里达州法院在几经反复之后，最终认定夏沃是植物人，并采纳她丈夫提供的证据，判决撤除生命保障系统。在判决艰难地执行了13天之后患者死亡。法院的这项判决在公众中引起了激烈争议，核心问题在于夏沃到底是不是植物人，是不是还有意识。在国际上，对每一个年轻患者选择安乐死，都存在这样的争议。正常情况下，我们可以通过他人的行为来判断对方到底有没有意识，但是面对这些有行为表达障碍的患者，哪怕最权威的专家都难以判定，究竟是否存在特定的行为反应。更何况行为只是意识的一个证据，还不是意识本身。
“植物人”学名为植物状态（vegetative state，VS）。VS往往从昏迷转变而来，但和昏迷又不一样。昏迷者闭眼一般不超过四周。四周以后部分昏迷患者睁眼，出现睡眠一觉醒周期，但是仍完全缺乏对自身和环境的觉知。VS患者觉醒恢复而觉知完全不恢复，出现觉醒与觉知分离的状态。这类患者是伴随着技术的进步而被认定的。在1960年代以呼吸机发明为核心的心肺复苏技术的突破，使大量患者度过了急性期而有可能出现以睁眼为代表的觉醒。可是，脑复苏技术的滞后造成了大量以觉醒一觉知分离为特征的VS患者。到1972年，该类患者的状态被命名为“植物状态”，意思是患者没有动物性的活动，只有代谢等植物性功能。随着急救技术的不断提高，国际上VS患者的数量日益增多。
在我国，因人口基数大和近几年快速发展带来的以交通事故为代表的安全风险增加，估计VS人数之增速超过国外。据不完全统计，我国约有100万VS患者。同时，近十年来的许多报道指出了被误诊的VS患者人数也在不断增加，2006年报道误诊率高达43%。为减少误诊，美国神经病学会专门定义了另一种疾病，叫作“最小意识状态”（minimally conscious state，MCS；国内有人翻译成“微意识状态”、“微小意识状态”等）。MCS患者也有以睁眼为代表的觉醒周期，但与VS不同，他们有微弱但确定的行为证据显示其存在觉知，尽管这种证据往往是不稳定的。这样就将误诊变成非此即彼的鉴别诊断，强调了界限（这也是笔者偏向于将MCS译成“最小意识状态”的主要原因），其目的是减少误诊。上面提到的夏沃“生死官司”，核心在于判断她到底是植物状态还是最小意识状态。不过遗憾的是，即便对夏沃的尸体解剖也未提供进一步的更有力证据。 植物人听得到亲人呼唤吗？
虽然行为判断目前还是意识障碍诊断的“金标准”，但是正如前面所说，行为仅仅是意识的证据而不是意识本身，脑却是意识产生的器官。基于脑局部氧耗信号的功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）技术，能反映局部脑的活动。我们给予脑一个外加刺激，想知道脑是否对刺激有反应，如有反应又是脑的哪部分在活动。脑对刺激的反应显然比行为反应更值得关注，它是这样被捕获的：在fMRI监测脑的所有体素（脑被分成一个个小格子）的氧耗相关（blood-oxygen-level dependent，BOLD）信号的同时，给受试者呈现一个多次反复的间歇刺激。然后计算出各个脑体素氧耗信号与刺激基线序列在时间上的相关程度，并标以不同的颜色。比如某个体素在刺激的时候信号强，撤掉刺激后信号弱，该体素就可能被标为红色。最后，在灰色的全脑背景下，标红色的脑区（当然还有其他颜色）是表示对刺激有反应的。
关键是，我们能否找到敏感性高一些的刺激，尽量使这类倾向于假阴性反应的患者出现阳性反应？心理学上的“鸡尾酒会效应”（在非常嘈杂的情况下若有人叫你名字，你会优先听到）提示了唤名刺激能优先进入意识。那么唤名在触发VS患者反应方面是否也有优越性呢？患者家属在护理过程中倒是经常会呼唤患者名字的。那是否可以先用fMRI来捕获患者对唤名的脑反应？结果十分有意思。笔者团队接受11名患者（4名MCS、7名VS）参与实验，6名患者（4名MCS和2名VS）出现好的信号，剩下5名VS患者出现不好的信号。在随后的行为评估中发现，3个月后，2名出现好的信号的VS患者转为MCS。也就是说，对于唤名的脑反应较之行为反应的好转，早3个月就被fMRI技术捕获到了。这个小样本研究提示了“唤名脑反应”的预后预测价值。随后对66名患者的较大样本研究进一步提示，VS患者可分为外伤性的和非外伤性的两类。外伤性VS患者如出现唤名阳性脑信号，有92.3%的可能性转变为MCS；而对于非外伤性VS患者，如未能捕获唤名阳性脑信号，有85%的可能性不会好转。这些结果显示了fMRI捕获的唤名脑信号有明确的预后预测价值。那么，唤名阳性脑信号能否成为患者存在意识的线索呢？实际上，fMRI捕获外加刺激引起脑信号的方式，被称为被动范式。大量研究提示，被动范式的信号与预后的关系是成立的。但是，被动范式的脑信号不能成为意识存在的证据，因为已有大量研究提示，在无意识状态下脑区的活动也会出现；而要想锁定意识的存在，必须有交互活动的证据，这就是主动范式。
“她不是植物人，她正在打网球！”
英国剑桥大学的欧文（A.Owen）和比利时列日大学（Universite de Liege）的洛雷（S.Laureys）等人于2006年在《科学》周刊发表了一篇短文，想用fMRI探寻VS患者存在意识的证据。他们检测的23岁女性VS患者在2005年7月因车祸导致脑损伤。此人虽有睡眠一觉醒周期，却无临床医生可检测的任何行为反应，符合VS诊断标准。研究者先进行被动范式的fMRI研究，发现语言区有激活信号，但不能确定是否属于有意义的反应。于是欧文等人利用主动范式来设计实验，请正常人设想自己打网球，发现可用fM RI观察到脑的特定区域（辅助运动区）有BOLD信号；而当正常人设想在家中几个房间里走动时，另外的脑区有BOLD信号。基于这番了解，研究者进而用言语请患者想象自己打网球或想象在家中走动。结果发现，无论患者想象打网球还是想象空间移动，其与正常人相同的有关脑区都出现BOLD信号，所以研究者断定，该患者实际上是存在意识的。
即使如此，以上研究结论还是受到质疑：语言提示可能自动激活了相应脑区。此后，欧文和洛雷课题组对英国和比利时54名被诊断为VS的患者进行fMRI检测，发现从其中5名可检测到想象引起的脑激活。在此基础上，欧文和洛雷设计了基于想象的交互实验。首先让健康受试者回答简单的问题，要求受试者在同答“是”时想象自己打网球，而在回答“不”时想象在家里走动，以便了解：用想象打网球代表“是”以及用想象在家走动代表“不”时，各自特定的BOLD信号。接下去在对54名患者的实验中，5名阳性反应的患者里有一位能正确地以想象来回答“是”和“不”。比如问他父亲的名字：亚历山大是你父亲吗？丹尼尔是你父亲吗？每次提问后请他用想象打网球代表“是”，用想象在家走动代表“不”。结果，他只在被问到父亲真名时出现打网球信号，其他情况下都显示在家走动信号，说明他能够学会临时制订的规则，并给出正确答案。这位年轻男子的反应，不容置疑地证实有意识存在，对他的家人有很大意义：不仅他活着，而且可以跟他交流。当然，对目前不能检测到反应的其他患者，并不能断定没有意识。在这个领域里，假阴性结果是无法避免的。
fMRI检测需要价格昂贵的设备，使用中还存在稳定性不高的问题，因此研究者们开始试用其他脑功能检测手段，比如脑电图（electroencyphalogram，EEG），并发现了一些有价值的信号。
想知道一口大钟是否有裂痕，最好办法是撞钟听声音
脑电研究中一个新的方法叫作经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）脑电（TMS-EEG）。日常生活中，可通过棍子敲击大钟听声音，来判定一口大钟的质量。大钟要是有裂损，被撞击后传出的声音会明显改变，于是根据这种改变就能判定钟的好坏。TMS-EEG技术的机制与此类似，它是用脉冲磁场穿过颅骨来改变大脑皮层神经细胞的膜电位，由此产生感应电流来刺激特定脑区。如果将大脑比成大钟，TMS就是撞击大钟，TMS刺激后的EEG信号相当于大钟被撞击后发出的声音。目前TMS的刺激部位一般集中在运动区或前额叶的某个区域。洛雷等人通过追踪一名后来脱离MCS的VS患者的转归过程，发现在TMS刺激后EEG信号的复杂度与VS患者的行为反应有高度一致性。当患者分别处于VS、MCS及脱离MCS时，TMS刺激同样部位所引起的EEG信号复杂度有显著提高。由此看来，TMS-EEG在个体化诊断上可能是有价值的。 应对植物人临床领域的挑战
如上所述，VS患者应该是没有意识的——要是借助行为和影像检测得到阴性结果的话，而MCS患者应该是有残存意识的。然而，MCS患者的意识是怎么回事呢？假设有这样一位患者，影像学检查发现他的后顶叶功能是好的，但其他部位的功能都不好，我们能说他是有意识的，还是没有意识的呢？
重新定义植物状态：无反应觉醒综合征
“植物人”概念在中国的学名是植物状态。考虑到临床上意识诊断的高度复杂性以及植物人称呼可能造成的负面暗示，国际上逐渐采用“无反应觉醒综合征”（unresponsive wakefulness syndrome，UWS）来代替“植物状态”一词。这是可以理解的，因为实际上，在“植物状态”这个篮子里装的是无行为表象之下的大杂烩。在进行意识行为的临床测量时，所涉及的行为几乎都是反射行为。当年笛卡儿（R.Descartes）在思考身心问题时提出的反射概念，是指身体性的概念，它天生就与意识无关；而现在试图将反射行为分成意识性的和非意识性的，并用于植物人诊断，实在是临床上不得已而为之的策略。所以应该说，UWS这个名称回到了行为诊断的本来面目。
植物人还有救吗？
每年都有一些植物人醒来的新闻报道，事实上也确有植物人恢复了意识。患者的意识恢复是像健康人早晨醒来那样，还是一个渐进的过程？使他们得以恢复意识的，是不经意间的某种外在促醒因素，还是某种自然转归起了作用？如果真的存在促醒因素，那会是什么？有这么多的患者存在，给我们提供了研究这些问题的可能性。最近的研究表明，除了像唑吡坦、金刚烷胺之类的药物以及外周感觉刺激以外，经颅直流电刺激（transcranial direct-current stimulation，tDCS）显示了对某类MCS患者很好的促醒疗效。如前所述，由行为来定义的意识障碍是个大杂烩，我们要做进一步的科学分类，再针对患者亚类进行促醒疗效的研究。沿着这个方向的研究积累，应能给患者带来福音。
诊断的价值
对于患者意识的判定尽管受到种种限制，但判定本身还是有许多临床价值。诊断结果可帮助患者家属抉择：是更多与患者交流，还是采取相对更被动的处理；也有助于合理地估计：患者是否有机会醒来，而基于以往数据，此概率有多大。诊断结果的更大价值在于可能指导治疗。基于以往粗略分类得出的治疗无效的印象，是否会在细分患者后发生改变？这正是目前迫切需要研究的。
意识的科学研究是个有意思的话题，临床上的意识判定也有重大实际意义。但是，在实验及临床数据不断积累基础上，果然能够得到答案吗？也许未必，而意识研究之诡异就在于此。涉及意识研究的材料都离不开主观报告，可是主观世界实实在在地存在吗？基于主观报告的主观世界是可靠的吗？LIS患者通过文字传达出的主观世界，真的就是你理解的那样吗？MCS患者的主观世界又是怎样的？本文不能展开，但从事过大量意识调节实践的东方文化提供了回答的线索：佛教认为并不存在实实在在的“有”，《心经》讲“无眼耳鼻舌身意，无色声香味触法”，或能予我们某种启迪。
人类历史几千年，心智（mind）问题一直是哲学思辨的话题。到20世纪后期，哲学中有关心智的探讨领域和研究心智的认知心理学结合，其后再和研究脑的神经科学结合，产生了新的生物学的心智科学。这门新科学遵循的总原则是：脑能进行极为复杂的运算，让人产生对外部世界的觉知并集中注意以控制行为。心智是大脑运行的一系列过程。人类已开始认识到，21世纪科学面临的核心挑战是如何在生物学的意义上理解人类心智。
意识是人类最大的未解之谜，人们对意识的定义一直未能达成共识。大多数研究者把它看成不同场景下的不同心智状态，而非一个统一整体。近几十年来达成的最大共识是认为弗洛伊德当年的观点是对的：人类心智中的无意识活动远超出人们预想，而且这些无意识心智过程各不相同。弗洛伊德当年将本能无意识定义为一个单一实体，包含了与暴力和性有关的情感、思维、冲动及记忆之绝大部分。这些东西不在意识范围内，但可影响人的行为和经验。后来他增加了前意识无意识（后被称为自适应无意识）概念，指无觉知的信息加工，是自我的一部分。请设想你见到某个熟人，马上就知道是你认识的人。整个过程进行得极快，不存在能被本人意识到的思考环节。
用实验科学方法来研究意识及无意识与脑的关系，正是生物学的心智科学中的一个关键课题，而有关植物人的研究历来与意识探讨相关联。
关于意识和无意识的科学研究进展
意识的操作定义
用科学方法研究意识，首先要解决的问题是如何在实验室环境下对意识下操作定义。很多神经科学家给出了意识的操作定义。比如沙德伦（M.N.Shadlen）和基安尼（R.Kiani）在2011年提出，意识状态的产生机制接近于形式更简单的应对环境的决策机制。德阿纳（S.Dehaene）在2014年写的《意识和大脑：思想解码》中，将意识状态至少分三个层次。第一个层次是觉醒，指动物和人所共有的睡眠一觉醒周期。觉醒是主观意识的前提。早期研究者以为，从眼耳等外周感觉器官进来的信息，经脑干到达大脑皮层，使个体保持觉醒。这些信息一旦停止，人就进入睡眠状态。后来发现事情并非如此。1949年两位科学家莫鲁齐（G.Moruzzi）和马古恩（H.W.Magoun）发现，实际上觉醒过程是主动的，关键部位在脑干上部，如损伤这个部位就会造成动物昏迷，而刺激此部位则会使睡眠中的动物醒来。这样就发现了，在脑里面有一个可将信息从脑干传到中脑再传到丘脑、再到大脑皮层的神经回路。此结构是支撑觉醒的基础。第二个层次是注意，就是将个体的心智资源集中到某一特定信息上。注意是一种处于觉醒和可交流意识之间的过渡状态，未必被我们觉知。第三个层次是知觉觉知，即开始觉知我们所注意信息的一部分，并能拿它跟别人交流。最后这个层次就是哲学家所谈的意识概念，它是可交流的，是主观上非常清晰的一种状态。德阿纳认为，意识体验以这三个独立而又交叠的层次为基础，它们反映了不同的生物学过程，并且是互动的。
全局工作空间理论
关于意识的理论是人们特别感兴趣的。2008年意大利学者托诺尼（G.Tononi）提出整合信息理论，认为意识的实质即信息，意识层次越高则信息越复杂。他借Φ（phi）符号来描述信息复杂度。巴尔斯（B.J.Baars）的全局工作空间理论则能与脑科学研究产生良性互动，这里做重点介绍。
巴尔斯于1980年代提出，意识就是原来无意识的信息大面积地扩布到全脑。这个全脑工作区包括把意识从脑干传到丘脑再传到大脑皮层的神经回路。法国学者德阿纳用脑成像方法把巴尔斯提出的这个心理模型对应到了脑。他发现在意识的状态下会有一组广泛分布的神经同路在活动，这些回路会选择一则信息，把它放大和扩布到大脑皮层。
用脑成像的方法来研究意识，最大难题是要让实验者的脑活动对应于他的主观意识状态，而不是对应于刺激的改变。德阿纳解决了这个问题。举例来说，他在屏幕上按顺序快速播放1、2、3、4这四个数字，兀论四个数字交替得多快，受试者还是看得见；而如果在4出现之前瞬间插入一张图片，然后在4出现之后瞬问又插入一张图片，假如转换速度足够快，4这个数字就可能看不见了。我们便可以说，前后呈现的图片把4这个词给掩蔽了。请注意，4这个数字虽未被受试者主观意识到，但在屏幕上呈现过，也一定在他视网膜上出现过并在他大脑里得到过处理，只是他不能意识到。再进一步，通过控制掩蔽的时间参数，就能随意地把这个数字正好放在意识的临界线上：让受试者一半时间报告说看到了，一半时间报告说看不到，这样研究者就能在实验室里成功地构建意识和无意识这两种主观状态，它们独立于刺激之外。此时便可采用脑影像检测的设备，比如使用功能性磁共振成像方法，分别在有意识时和无意识时扫描脑的活动情况，然后再将两者相减，其结果就与刺激无关了。无论受试者看到还是没看到，这个数字的客观存在是一样的，区别只在于有没有主观上的印象，而不在于刺激。
下面就可以用此方法来研究意识与无意识这两种主观状态。为描述方便，若某个视觉刺激不能使受试者产生主观感觉，就称为阈下刺激，反之则称为阈上刺激。脑成像研究发现，当遇到阈下刺激时，大脑枕叶的初级视觉皮层变得非常活跃，也就是说，这个视觉刺激已经到达了大脑皮层对视觉信息的初级处理站。但是在持续了大约200～300毫秒以后，在初级视觉皮层上这个不期然的激活消退了，而不会到达更高级的大脑皮层。每时每刻，都会有很多这样的信息到达我们的大脑皮层又无声无息地消退。
那个阈上刺激又如何？换句话说，当受试者对刺激能加以意识和进行报告时，脑里会发生怎样的不同事件呢？有意识的知觉也开始于大脑初级视觉皮层的激活，但是这个激活非但不消退反而扩大。这时，大脑激活的情形就像发生了一次海啸，而不是泛起一朵旋即消逝的海浪。经300毫秒后，激活会变得非常大，进入高级的大脑皮层直至前额叶，然后回到开始的地方产生回响。这就是当受试者产生意识时所发生的信息扩布。 德阿纳认为，阈上刺激引起的扩布，把信息移入全局工作空间。在那里，有关信息可被其他脑区的神经功能所捕获。在心理学意义上，意识产生时所发生的事件就是：被意识到的信息从个体对现实世界的知觉中分离出来，在大脑这个巨系统中变得可获取。这个数字只是短暂地一闪而过，但个体可以用工作记忆将其保留于心智中，并扩布给需要它的所有脑区。全局工作空间所涉及的脑区包括参与决策的前额叶皮层、对于外显记忆很重要的颞叶以及参与意识经验报告且对意识经验进行评估、记忆和用以进行未来规划的语言区。从这个意义上可以说，意识信息是全脑扩布、能被全脑运用的。上述基于视觉通道刺激的结论也适用于听觉、躯体感觉等其他感觉通道。
全局工作空间理论提出了基于目前常用新技术的四个意识指标体系。指标一：觉知到的刺激引起波及前额叶皮层和顶叶皮层的全脑“点燃”；指标二：觉知到的刺激引起刺激后300毫秒出现的特定脑电成分（P300）；指标三：深部电极记录到后期出现的高频振荡；指标四：脑的远隔区域之间发生同步化的信息交换。但是，这些主要建立在正常人实验数据之上的意识理论和特征指标，要得到确立还须接受来自其他领域的验证。德阿纳认为，对意识障碍的临床实验是其最终检验。
意识障碍
从《潜水钟与蝴蝶》说起
1995年，43岁的法国ELLE杂志总编博比（J.-D.Bauby）突发脑中风出现深度昏迷，20天后苏醒过来，除左眼皮外其他的运动功能丧失殆尽。之后他又活了15个月。这15个月他是这样使用左眼皮的：友人按顺序念字母表，当他听到某个需要表达的字母时就眨一下眼皮，友人于是记下该字母。友人再按顺序念字母表，他眨眼选择第二个字母，以此方法记下一个个字母，字母再拼成一个单词、一句话。借助这样的方法他写下了对过去生活的回忆、对当下生活的感受以及关于生和死的思索，还写信给他所有的朋友……。他为这些文字取名《潜水钟与蝴蝶》，意思是说：“我的身体像是被困在坚硬的潜水钟里动弹不得，但我的心灵如同轻盈的蝴蝶一样自由飞翔。”1997年3月9日《潜水钟与蝴蝶》法文版问世三天后，肺炎夺去了博比的生命。此书成为当时全球排名第一的畅销书，后来据此拍摄的同名电影被法国戛纳国际电影节授予金棕榈奖。
眼皮一开一合，就是这个唯一未被剥夺的“随意”动作的简单重复，神奇地启动了文字系统的表达功能，博比完整保存的主观世界跃然纸上，心灵之蝴蝶完成了与世界的绚丽合奏。法国作家大仲马显然对这类患者心知肚明，在《基度山伯爵》里成功塑造了一位诺瓦蒂埃先生，也是通过眼睛的唯一途径让内心世界昭然若揭。中国同样有这种患者，几年前有位叫汪建华的“渐冻人”通过眼睑开合搜寻汉语拼音字母而写成《把心捂热》一书。这些患者学会了用仅存的一点“自主性”动作来表达自己情感世界和理性思维活动。他们是生存于生命边缘的可敬人群，其文字也成为人们探索他们主观世界的唯一窗口。
他们即医学上所谓闭锁综合征（locked-in syndrome，LIS）患者。此病是一种特殊的行为障碍，患者意识完整，但可能因双侧腹侧脑桥损伤而发生运动表达系统障碍。若患者生命体征平稳并获相应医疗支持，预期寿命可达数十年。他们往往有一段时间被误诊为植物状态，有的甚至一直被误诊。能被发现的患者是不幸中的幸运者，他们由于残存意识的证据被旁人发现从而得到帮助。在临床实践上，如何研判大量这类患者是否存在意识，是个巨大难题。
她还活着吗？
世界上一些国家和美国的一些州，法律允许对慢性期植物人实施安乐死，这样就将临床上的植物人诊断问题变为对患者生死攸关的事。2005年美国佛罗里达州植物人妇女夏沃（T.Schiavo）的生死官司曾轰动世界。从1990年到2005年，夏沃成为植物人已历时15年。她丈夫提供了她患病前立有生前遗嘱的证据，替她启动了申请撤除生命保障系统的法律程序。但夏沃的母亲并不认同女儿处于植物状态，她把一段看起来是女儿冲着妈妈笑的影像资料作为夏沃尚残存交流能力的证据展示给民众。当时包括美国总统布什在内的很多人发表意见，表示不支持撤除夏沃的生命保障系统。2005年3月，佛罗里达州法院在几经反复之后，最终认定夏沃是植物人，并采纳她丈夫提供的证据，判决撤除生命保障系统。在判决艰难地执行了13天之后患者死亡。法院的这项判决在公众中引起了激烈争议，核心问题在于夏沃到底是不是植物人，是不是还有意识。在国际上，对每一个年轻患者选择安乐死，都存在这样的争议。正常情况下，我们可以通过他人的行为来判断对方到底有没有意识，但是面对这些有行为表达障碍的患者，哪怕最权威的专家都难以判定，究竟是否存在特定的行为反应。更何况行为只是意识的一个证据，还不是意识本身。
“植物人”学名为植物状态（vegetative state，VS）。VS往往从昏迷转变而来，但和昏迷又不一样。昏迷者闭眼一般不超过四周。四周以后部分昏迷患者睁眼，出现睡眠一觉醒周期，但是仍完全缺乏对自身和环境的觉知。VS患者觉醒恢复而觉知完全不恢复，出现觉醒与觉知分离的状态。这类患者是伴随着技术的进步而被认定的。在1960年代以呼吸机发明为核心的心肺复苏技术的突破，使大量患者度过了急性期而有可能出现以睁眼为代表的觉醒。可是，脑复苏技术的滞后造成了大量以觉醒一觉知分离为特征的VS患者。到1972年，该类患者的状态被命名为“植物状态”，意思是患者没有动物性的活动，只有代谢等植物性功能。随着急救技术的不断提高，国际上VS患者的数量日益增多。
在我国，因人口基数大和近几年快速发展带来的以交通事故为代表的安全风险增加，估计VS人数之增速超过国外。据不完全统计，我国约有100万VS患者。同时，近十年来的许多报道指出了被误诊的VS患者人数也在不断增加，2006年报道误诊率高达43%。为减少误诊，美国神经病学会专门定义了另一种疾病，叫作“最小意识状态”（minimally conscious state，MCS；国内有人翻译成“微意识状态”、“微小意识状态”等）。MCS患者也有以睁眼为代表的觉醒周期，但与VS不同，他们有微弱但确定的行为证据显示其存在觉知，尽管这种证据往往是不稳定的。这样就将误诊变成非此即彼的鉴别诊断，强调了界限（这也是笔者偏向于将MCS译成“最小意识状态”的主要原因），其目的是减少误诊。上面提到的夏沃“生死官司”，核心在于判断她到底是植物状态还是最小意识状态。不过遗憾的是，即便对夏沃的尸体解剖也未提供进一步的更有力证据。 植物人听得到亲人呼唤吗？
虽然行为判断目前还是意识障碍诊断的“金标准”，但是正如前面所说，行为仅仅是意识的证据而不是意识本身，脑却是意识产生的器官。基于脑局部氧耗信号的功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）技术，能反映局部脑的活动。我们给予脑一个外加刺激，想知道脑是否对刺激有反应，如有反应又是脑的哪部分在活动。脑对刺激的反应显然比行为反应更值得关注，它是这样被捕获的：在fMRI监测脑的所有体素（脑被分成一个个小格子）的氧耗相关（blood-oxygen-level dependent，BOLD）信号的同时，给受试者呈现一个多次反复的间歇刺激。然后计算出各个脑体素氧耗信号与刺激基线序列在时间上的相关程度，并标以不同的颜色。比如某个体素在刺激的时候信号强，撤掉刺激后信号弱，该体素就可能被标为红色。最后，在灰色的全脑背景下，标红色的脑区（当然还有其他颜色）是表示对刺激有反应的。
关键是，我们能否找到敏感性高一些的刺激，尽量使这类倾向于假阴性反应的患者出现阳性反应？心理学上的“鸡尾酒会效应”（在非常嘈杂的情况下若有人叫你名字，你会优先听到）提示了唤名刺激能优先进入意识。那么唤名在触发VS患者反应方面是否也有优越性呢？患者家属在护理过程中倒是经常会呼唤患者名字的。那是否可以先用fMRI来捕获患者对唤名的脑反应？结果十分有意思。笔者团队接受11名患者（4名MCS、7名VS）参与实验，6名患者（4名MCS和2名VS）出现好的信号，剩下5名VS患者出现不好的信号。在随后的行为评估中发现，3个月后，2名出现好的信号的VS患者转为MCS。也就是说，对于唤名的脑反应较之行为反应的好转，早3个月就被fMRI技术捕获到了。这个小样本研究提示了“唤名脑反应”的预后预测价值。随后对66名患者的较大样本研究进一步提示，VS患者可分为外伤性的和非外伤性的两类。外伤性VS患者如出现唤名阳性脑信号，有92.3%的可能性转变为MCS；而对于非外伤性VS患者，如未能捕获唤名阳性脑信号，有85%的可能性不会好转。这些结果显示了fMRI捕获的唤名脑信号有明确的预后预测价值。那么，唤名阳性脑信号能否成为患者存在意识的线索呢？实际上，fMRI捕获外加刺激引起脑信号的方式，被称为被动范式。大量研究提示，被动范式的信号与预后的关系是成立的。但是，被动范式的脑信号不能成为意识存在的证据，因为已有大量研究提示，在无意识状态下脑区的活动也会出现；而要想锁定意识的存在，必须有交互活动的证据，这就是主动范式。
“她不是植物人，她正在打网球！”
英国剑桥大学的欧文（A.Owen）和比利时列日大学（Universite de Liege）的洛雷（S.Laureys）等人于2006年在《科学》周刊发表了一篇短文，想用fMRI探寻VS患者存在意识的证据。他们检测的23岁女性VS患者在2005年7月因车祸导致脑损伤。此人虽有睡眠一觉醒周期，却无临床医生可检测的任何行为反应，符合VS诊断标准。研究者先进行被动范式的fMRI研究，发现语言区有激活信号，但不能确定是否属于有意义的反应。于是欧文等人利用主动范式来设计实验，请正常人设想自己打网球，发现可用fM RI观察到脑的特定区域（辅助运动区）有BOLD信号；而当正常人设想在家中几个房间里走动时，另外的脑区有BOLD信号。基于这番了解，研究者进而用言语请患者想象自己打网球或想象在家中走动。结果发现，无论患者想象打网球还是想象空间移动，其与正常人相同的有关脑区都出现BOLD信号，所以研究者断定，该患者实际上是存在意识的。
即使如此，以上研究结论还是受到质疑：语言提示可能自动激活了相应脑区。此后，欧文和洛雷课题组对英国和比利时54名被诊断为VS的患者进行fMRI检测，发现从其中5名可检测到想象引起的脑激活。在此基础上，欧文和洛雷设计了基于想象的交互实验。首先让健康受试者回答简单的问题，要求受试者在同答“是”时想象自己打网球，而在回答“不”时想象在家里走动，以便了解：用想象打网球代表“是”以及用想象在家走动代表“不”时，各自特定的BOLD信号。接下去在对54名患者的实验中，5名阳性反应的患者里有一位能正确地以想象来回答“是”和“不”。比如问他父亲的名字：亚历山大是你父亲吗？丹尼尔是你父亲吗？每次提问后请他用想象打网球代表“是”，用想象在家走动代表“不”。结果，他只在被问到父亲真名时出现打网球信号，其他情况下都显示在家走动信号，说明他能够学会临时制订的规则，并给出正确答案。这位年轻男子的反应，不容置疑地证实有意识存在，对他的家人有很大意义：不仅他活着，而且可以跟他交流。当然，对目前不能检测到反应的其他患者，并不能断定没有意识。在这个领域里，假阴性结果是无法避免的。
fMRI检测需要价格昂贵的设备，使用中还存在稳定性不高的问题，因此研究者们开始试用其他脑功能检测手段，比如脑电图（electroencyphalogram，EEG），并发现了一些有价值的信号。
想知道一口大钟是否有裂痕，最好办法是撞钟听声音
脑电研究中一个新的方法叫作经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）脑电（TMS-EEG）。日常生活中，可通过棍子敲击大钟听声音，来判定一口大钟的质量。大钟要是有裂损，被撞击后传出的声音会明显改变，于是根据这种改变就能判定钟的好坏。TMS-EEG技术的机制与此类似，它是用脉冲磁场穿过颅骨来改变大脑皮层神经细胞的膜电位，由此产生感应电流来刺激特定脑区。如果将大脑比成大钟，TMS就是撞击大钟，TMS刺激后的EEG信号相当于大钟被撞击后发出的声音。目前TMS的刺激部位一般集中在运动区或前额叶的某个区域。洛雷等人通过追踪一名后来脱离MCS的VS患者的转归过程，发现在TMS刺激后EEG信号的复杂度与VS患者的行为反应有高度一致性。当患者分别处于VS、MCS及脱离MCS时，TMS刺激同样部位所引起的EEG信号复杂度有显著提高。由此看来，TMS-EEG在个体化诊断上可能是有价值的。 应对植物人临床领域的挑战
如上所述，VS患者应该是没有意识的——要是借助行为和影像检测得到阴性结果的话，而MCS患者应该是有残存意识的。然而，MCS患者的意识是怎么回事呢？假设有这样一位患者，影像学检查发现他的后顶叶功能是好的，但其他部位的功能都不好，我们能说他是有意识的，还是没有意识的呢？
重新定义植物状态：无反应觉醒综合征
“植物人”概念在中国的学名是植物状态。考虑到临床上意识诊断的高度复杂性以及植物人称呼可能造成的负面暗示，国际上逐渐采用“无反应觉醒综合征”（unresponsive wakefulness syndrome，UWS）来代替“植物状态”一词。这是可以理解的，因为实际上，在“植物状态”这个篮子里装的是无行为表象之下的大杂烩。在进行意识行为的临床测量时，所涉及的行为几乎都是反射行为。当年笛卡儿（R.Descartes）在思考身心问题时提出的反射概念，是指身体性的概念，它天生就与意识无关；而现在试图将反射行为分成意识性的和非意识性的，并用于植物人诊断，实在是临床上不得已而为之的策略。所以应该说，UWS这个名称回到了行为诊断的本来面目。
植物人还有救吗？
每年都有一些植物人醒来的新闻报道，事实上也确有植物人恢复了意识。患者的意识恢复是像健康人早晨醒来那样，还是一个渐进的过程？使他们得以恢复意识的，是不经意间的某种外在促醒因素，还是某种自然转归起了作用？如果真的存在促醒因素，那会是什么？有这么多的患者存在，给我们提供了研究这些问题的可能性。最近的研究表明，除了像唑吡坦、金刚烷胺之类的药物以及外周感觉刺激以外，经颅直流电刺激（transcranial direct-current stimulation，tDCS）显示了对某类MCS患者很好的促醒疗效。如前所述，由行为来定义的意识障碍是个大杂烩，我们要做进一步的科学分类，再针对患者亚类进行促醒疗效的研究。沿着这个方向的研究积累，应能给患者带来福音。
诊断的价值
对于患者意识的判定尽管受到种种限制，但判定本身还是有许多临床价值。诊断结果可帮助患者家属抉择：是更多与患者交流，还是采取相对更被动的处理；也有助于合理地估计：患者是否有机会醒来，而基于以往数据，此概率有多大。诊断结果的更大价值在于可能指导治疗。基于以往粗略分类得出的治疗无效的印象，是否会在细分患者后发生改变？这正是目前迫切需要研究的。
意识的科学研究是个有意思的话题，临床上的意识判定也有重大实际意义。但是，在实验及临床数据不断积累基础上，果然能够得到答案吗？也许未必，而意识研究之诡异就在于此。涉及意识研究的材料都离不开主观报告，可是主观世界实实在在地存在吗？基于主观报告的主观世界是可靠的吗？LIS患者通过文字传达出的主观世界，真的就是你理解的那样吗？MCS患者的主观世界又是怎样的？本文不能展开，但从事过大量意识调节实践的东方文化提供了回答的线索：佛教认为并不存在实实在在的“有”，《心经》讲“无眼耳鼻舌身意，无色声香味触法”，或能予我们某种启迪。